Chemisch idee krijgt natuurkundige onderbouwing - Kees Hummelen: ‘Nu wordt het pas echt interessant’

Deze week verscheen in Nature Nanotechnology een artikel over kwantuminterferentie in moleculair ladingstransport. Twee van de auteurs zijn de Groningse scheikundigen prof. dr. Kees Hummelen en de bij Hummelen cum laude gepromoveerde dr. Hennie Valkenier. Hummelen is de drijvende kracht van de organisch chemische vakgroep waarin enkele jaren geleden de aanzet werd gegeven voor dit onderzoek. ‘Maar met deze publicatie wordt het echt interessant,’ zegt hij. ‘Want het idee dat wij – eenvoudige chemici – toen ontwikkelden, heeft nu in samenwerking met fysici uit Leiden en Denemarken een stevige natuurkundige onderbouwing gekregen, zowel theoretisch als experimenteel.’

In 2006 promoveerde dr. Marleen van der Veen bij Hummelen op een zuiver theoretisch proefschrift. Opmerkelijk, omdat organische scheikundigen bijna altijd in het lab te vinden zijn, waar ze nieuwe stofjes proberen te synthetiseren. Van der Veen moest zich beperken tot het uitdenken van allerlei verschillende paden die een elektron bij de geleiding van elektriciteit kan volgen door complexe, in werkelijkheid niet-bestaande moleculen met veel ringstructuren en dubbele bindingen. Dit alles met de vraag of deze moleculen, als men erin zou slagen ze te synthetiseren, gebruikt zouden kunnen worden als digitale geïntegreerde schakelingen voor de moleculaire kwantumcomputer van de toekomst.

Handen uit de mouwen

Met de publicatie van Valkenier in Nature Nanotechnology wordt Van der Veen's werk minder theoretisch en komt kwantumcomputer met logische schakelingen ter grootte van één molecuul een stapje dichterbij. Graag had Marleen van der Veen zelf ook willen synthetiseren, maar dat was niet haalbaar. De moleculen uit haar proefschrift zijn bijzonder lastig om te maken. In de jaren die tussen haar proefschrift en de nieuwe Nature-publicatie liggen, heeft Valkenier in het team van Hummelen echter de handen uit de mouwen gestoken.

Valkenier slaagde erin verschillende reeksen moleculen te synthetiseren en er de basisprincipes mee te testen. Dat deed ze samen met natuurkundegroepen die geleiding van enkele moleculen op verschillende manieren kunnen meten. Hummelen: ‘Vorig jaar werd met dit materiaal binnen het Stratingh Instituut voor Chemie van de RUG al een zeer sterke aanwijzing voor kwantuminterferentie gevonden in samenwerking met twee leden van ons team, prof. dr. Ryan Chieci en Davide Fracasso. Met de Nature-publicatie is nu een echt sterk bewijs getoond.’

Clou

Het gaat hier om draadvormige moleculen - de meest eenvoudige uit Van der Veen’s proefschrift - waarin het elektron zich in principe lineair van uiteinde A naar B verplaatst. De clou is dat er ook één molecuul bij zit, waarin het elektron op een gegeven moment voor een soort splitsing staat, waarop het – populair gezegd – evengoed links als rechtsaf kan slaan.

Wat dan gebeurt, is analoog aan een bekend natuurkundig experiment waarin licht door twee vlak naast elkaar gelegen nauwe spleten valt. Hummelen: ‘Achter de spleten ontstaat dan interferentie; de lichtgolven zijn of in fase en dan versterken ze elkaar, of uit fase en dan doven ze elkaar uit. Iets dergelijks gebeurt ook met elektrongolven, die na de splitsing weer samenkomen op die ene doorgaande weg door het molecuul.’

Kenmerkend beeld

Het gevolg van de interferentie is dat de geleiding van elektriciteit in dit soort moleculen bij bepaalde spanningen plotseling flink afneemt. Dat gebeurt op een manier die kenmerkend en dus goed herkenbaar is. Als geleiding normaal afneemt door een slecht geleidend stuk in een molecuul, is dat bij meting van het ladingstransport zichtbaar als een gewone, dalvormige kromme. Bij interferentie zakt de geleiding scherp in elkaar en ontstaat een v-vormig patroon.

Jaren geleden keken natuurkundigen met veel scepsis naar onze topologische theorie, zegt Hummelen. ‘De kritiek op het onderzoek van Van der Veen kwam erop neer dat de wereld, althans de moleculaire wereld, niet zo eenvoudig in elkaar zit als wij als "molecular design" chemici geneigd zijn te denken.’ Na het nieuwe onderzoek in samenwerking met theoretische natuurkundigen van de Technical University of Denmark en experimentele natuurkundigen van de Universiteit Leiden zal de reserve ten aanzien van die topologische theorie snel verminderen.

Kleiner kan 't niet

Toch wil Hummelen het resultaat slechts met voorzichtigheid revolutionair of baanbrekend noemen. Kwantuminterferentie is al eerder aangetoond, zij het bij veel lagere temperaturen en in veel grotere structuren dan moleculen. Maar nu het ook bij kamertemperatuur werkt, is de kans toegenomen dat het ooit echt toepasbaar wordt als schakelaar in de kwantumcomputer. ‘En als het ooit lukt dit te bewerkstelligen in de meer complexere moleculen die we destijds met Marleen van der Veen hebben uitgedacht, kun je zelfs met één molecuul een logische schakelaar maken waarvoor nu nog een reeks van schakelelementen nodig is. Dan zijn we volgens mij aan de grens van miniaturisering van computers aangekomen; kleiner dan één molecuul kan toch eigenlijk niet.’

Zie ook het NWO-persbericht: Kwantummechanisch schakelen bij kamertemperatuur

Contact: prof. dr. J.C. Hummelen

Artikel: Observation of quantum interference in molecular charge transport, Constant M. Guédon, Hennie Valkenier, Troels Markussen, Kristian S. Thygesen, Jan C. Hummelen en Sense Jan van der Molen. Nature Nanotechnology, online: 25 maart 2012. DOI:10.1038/NNANO.2012.37